Tierra y Tecnología nº 56 | Autor: Joan Escuer Solé, es Licenciado en Ciencias Geológicas por la Universidad de Barcelona. Director de Geoconsultores Técnicos y Ambientales, S.L. y profesor asociado en el Departamento de Geología de la UAB. Colegiado nº 1.876. EurGeol 975.
El hidrógeno, el elemento más abundante del universo y que forma la molécula más pequeña conocida H2, se considera una fuente de energía limpia. La oxidación del mismo, por combustión, genera vapor de agua y algo de calor como productos, sin más residuos, ello le convierte en un combustible ideal, a diferencia de las fuentes fósiles y nucleares típicas. Esto no es ninguna novedad dado que el uso industrial del hidrógeno como combustible se ha aplicado desde principios del siglo XIX, si bien de forma minoritaria. Hoy se piensa que la gran versatilidad del hidrógeno permitiría su uso en aquellos nichos de consumo que son muy difíciles de descarbonizar, como el transporte pesado, la aviación o el transporte marítimo. Sin embargo, sus características también han supuesto un reto de ingeniería importante, sobretodo, en forma de altos costes en materia de generación, dificultad de producción, impacto ambiental, almacenamiento y distribución.
Según datos de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), la demanda global de este gas se ha triplicado desde 1975 hasta llegar a las 74 millones de toneladas anuales en 2018. Cabe decir que la mayor parte de dicha producción (51,7 %) se consume en el refinado del petróleo y gran parte del resto (42,6%) sirve para obtener amoniaco con el que fabricar fertilizantes. Su uso como combustible queda incluido en el restante 5,7 %. A pesar de ello el uso del hidrógeno como combustible, aunque marginal, ya es una realidad en Estados Unidos, Rusia, China, Francia o Alemania. Otros países, como Japón, incluso van más allá y aspiran a convertirse en una economía basada en el hidrógeno. De hecho, si la totalidad de la producción mundial de hidrógeno (74 Mt) se destinara únicamente a alimentar turismos propulsados por pila de combustible daría para el consumo anual (20.000 Km/año) de 300 millones de vehículos.
Hasta la fecha el hombre ha generado la práctica totalidad del hidrógeno de uso industrial a partir de otras sustancias que lo contienen, entre ellas los hidrocarburos y el agua. En el primer caso el H2 se obtiene a partir de combustibles fósiles (gas natural, petróleo y carbón), con un elevado coste, tanto económico como ambiental. De hecho, para la misma cantidad de energía, el coste económico del hidrógeno es unas cinco veces superior al del petróleo. Por otro lado, el impacto ambiental en la atmosfera es muy significativo. Con este método se liberan diez kilogramos de CO2 por cada kilogramo de H2 producido, lo que convierte el producto en un combustible inviable en términos de descarbonización, ya que esta exige el uso de energías limpias, sí, pero también obtenidas por métodos limpios.
Desde una perspectiva geológica, el hidrógeno natural gaseoso ha sido ampliamente ignorado como posible recurso energético
Tomando el agua como materia prima, la obtención de H2 se consigue a través de la electrólisis. Este método, como es sabido, utiliza la corriente eléctrica para separar el hidrógeno del oxígeno, por lo que, si esa electricidad se obtiene de fuentes renovables, produciremos energía sin emitir CO2 a la atmósfera. Se estima que los sistemas de generación de hidrógeno a partir de energía renovable, generalmente eólica o solar, pueden llegar a ser rentables a partir de los 3,23 €/Kg. Los costes de los electrolizadores están disminuyendo considerablemente, lo que podría abaratar de forma considerable el gasto económico asociado a la generación de hidrógeno con energía procedente de fuentes renovables. Este sí sería el hidrógeno verde, eficiente y 100 % sostenible, que algunos expertos auguran como combustible del futuro.
La AIE estima que el H2verde ahorraría los 830 millones de toneladas anuales de CO2 que se originan cuando este gas se produce mediante combustibles fósiles. A pesar de las dudas razonables existentes sobre la viabilidad del hidrógeno verde, por su alto coste energético de producción (4.9-5.6 kWh/m3), lo que resulta al menos dos veces más caro que el hidrógeno obtenido a partir del gas natural, se da por hecho que estas se disiparán conforme avance la descarbonización del planeta y, en consecuencia, se abarate la generación de energía renovable.
Hay quien no lo ve así, como Elon Musk, fundador de Pay Pal y fabricante de los automóviles eléctricos Tesla, para él «El hidrógeno es una manera de almacenar energía, no una fuente de energía. Así, que hay que conseguirlo de alguna parte. Si se obtiene del agua, por electrolisis, el proceso es desde el punto de vista energético extremadamente ineficiente. Por ejemplo, si alguien utiliza la energía generada a partir de un panel solar y la usa para cargar una batería de automóvil directamente, es una operación más eficiente que separar el agua, aislar el hidrógeno, descartar el oxígeno, comprimir el hidrógeno a una altísima presión (o licuarlo) y luego ponerlo en un auto para arrancar una pila de combustible. ¡Es terrible! Es un proceso casi la mitad de eficiente ¿Por qué hacer eso? No tiene sentido.» Efectivamente, para mover un auto mediante hidrógeno producido por electrolisis se gastaría 2,3 veces más energía que la requerida. Así pues, cabe preguntarse si el hidrógeno verde es realmente viable.
Cabe esperar la presencia de hidrógeno natural en las emisiones de las dorsales oceánicas, de escaso interés industrial; asociado a los complejos ofiolíticos, y por último, en fuentes ubicadas en cratones ,en el seno de los viejos continentes que son las más prometedoras dado que presentan los flujos más intensos y una accesibilidad óptima
La respuesta está en el modo de producción del hidrógeno verde que viene dictado por la economía del proceso, las necesidades del mercado y también por las regulaciones ambientales. De hecho se están estudiando múltiples opciones para su obtención como las siguientes: por disociación del agua, ya sea de forma termoquímica, mediante calor, o fotoquímica sobre semiconductores utilizando luz solar; a partir de reformados de etanol y azúcares de origen renovable; por biofotólisis del agua mediante sistemas biológicos formados por microorganismos fotosintéticos como las algas verdes del genero Scenedesmus; por biolisis a partir de fermentación, en ausencia de luz y en condiciones anaerobias, como el caso las cianobacterias tipo Spirulina, y así un largo etc. La realidad es que hoy por hoy la producción de hidrógeno mediante sistemas alternativos representa uno de los retos más importantes de la tecnología y los resultados son muy tímidos de momento.
El hidrógeno, asimismo, presenta ciertas dificultades técnicas respecto del almacenamiento y la distribución que están relacionadas con el hecho de ser el elemento más pequeño y liviano de la tierra, el número uno en la tabla periódica, cuyo núcleo está formado por un solitario protón. De hecho, el helio, número dos de la tabla y siete veces más másico (recordemos que su núcleo lo forman dos protones y dos neutrones), es tan ligero y pequeño que se usa para hallar fugas minúsculas en tuberías, por lo que diseñar un conducto o almacén que evite las fugas de hidrógeno, todavía más liviano y diminuto, ha sido un reto ingenieril de primer orden. Ello se consigue utilizando recipientes a presión de alta tecnología hechos con fibra de carbono o licuando el hidrógeno mediante nitrógeno líquido y algunos compuestos metálicos. Ambas opciones tienen un coste lo suficientemente elevado para dificultar su uso a gran escala.
Si consideramos el hidrógeno de producción electrolítica se necesitan soluciones viables para el almacenamiento intermedio de energía. Ello debe garantizar que no se desperdicie el exceso de electricidad generada por los sistemas de energía solar y eólica durante los periodos de producción máxima. Los tanques de hidrógeno comprimido son apropiados en este sentido dado que están construidos para almacenar energía durante largos periodos de tiempo y, además, resultan más sencillos de manejar que las baterías de iones de litio porque son más ligeros. En el caso de cantidades importantes pueden usarse almacenes geológicos que permiten grandes capacidades, presiones de confinamiento muy altas (20 MPa), bajos costos específicos y especialmente, una alta seguridad operativa.
El paradigma aceptado hasta hoy da por supuesto que la posibilidad de obtención de hidrógeno de fuentes naturales es prácticamente nula. Dicho paradigma se basa en la suposición de que en nuestro planeta el hidrógeno no existe en estado libre en cantidades apreciables y solo se encuentra, asociado siempre a otros elementos, en compuestos sólidos, líquidos y gases, incluyendo el agua, la biomasa, el gas natural, el petróleo y el carbón. Pero… dicho paradigma deberá ser revisado profundamente a la luz de antiguos conocimientos revisados, ciertos descubrimientos y nuevos hallazgos que se han producido recientemente.
No resulta descabellado imaginar a la humanidad captando y aprovechando el hidrógeno natural, aunque los mecanismos de su génesis y su migración en el subsuelo no se conozcan del todo
¿Qué sabemos pues del hidrogeno natural? Desde una perspectiva geológica, el hidrógeno natural gaseoso ha sido ampliamente ignorado como posible recurso energético. La industria petrolera ha considerado el hidrógeno nativo como prácticamente inexistente en clara respuesta a la escasez del mismo en los millones de pozos perforados para hidrocarburos en multitud de cuencas sedimentarias. Sin embargo, diversos flujos de hidrógeno alcanzan la superficie de la Tierra. Algunos se conocen desde la antigüedad como el caso del Monte Quimera, en Yanartas, Turquía, famoso por sus fuegos eternos, (Fig. 1) en el que el 10 % del combustible en volumen es H2. Diversos estudios recientes, todavía modestos, revelan que la Tierra emite hidrógeno en cantidades mucho mayores de lo que se creía y en lugares muy accesibles del interior de los continentes. Numerosas filtraciones de gas abiótico han sido identificadas en los últimos diez años en todo el mundo, la mayoría de las cuales asociadas con formaciones ofiolíticas (Turquía, Omán, Japón, Filipinas, Nueva Zelanda, Nueva Caledonia, Grecia, Portugal, España, Italia, Bosnia, California y Canadá). Actualmente ya se las considera indicios que podrían indicar fuentes contínuas en el subsuelo.
Se ha descubierto hidrógeno natural en casi todos los continentes: en Rusia, en Estados Unidos, Brasil, Mali e incluso en el oeste de Francia. El primer criterio de prospección es la existencia de ciertas depresiones circulares, cuyos diámetros van de centenares de metros a varios kilómetros y que alcanzan profundidades de entre unos centímetros y pocos metros como las conocidas Carolina Bays (Fig. 2). Tales estructuras pueden formarse en menos de dos años como ocurrió al este de Moscú en 2002-04. Por ahora, solo se han realizado perforaciones para explorar o extraer el gas en Estados Unidos (Kansas, Nebraska) (Fig. 3) y en Mali (Bourakebougou) (Fig.4). En los otros lugares se han llevado a cabo estudios geoquímicos de superficie (<1 m) consistentes en medir las concentraciones del gas en el suelo, con el fin de determinar los flujos de emisión hacia la atmósfera. Está claro que el conocimiento y la exploración del hidrógeno continental se encuentran todavía en fase preliminar. No se trata de un gas fósil acumulado a lo largo del tiempo geológico, que se mide en millones de años, sino de uno cuya tasa de producción es la misma que la de su emisión hacia la atmósfera. Por tanto, los flujos de emisión calculados en las campañas geoquímicas de superficie representan los flujos que se espera captar en futuras explotaciones y, además, de manera duradera mientras las emisiones se mantengan de forma natural, sin agotar los yacimientos por sobreexplotación.
¿Dónde cabe esperar la presencia de hidrógeno natural? En primer lugar, tenemos las emisiones de las dorsales oceánicas, cuyo interés industrial queda todavía en el terreno de la utopía. En segundo, las asociadas a los complejos ofiolíticos, mucho más accesibles que los fondos marinos. Por último, las fuentes ubicadas en cratones en el seno de los viejos continentes que son las más prometedoras dado que presentan los flujos más intensos y una accesibilidad óptima. Además, a partir de las escasas perforaciones realizadas, se tiene conocimiento de la existencia de acumulaciones transitorias que podrían explotarse sin necesidad de captar los flujos en superficie. El hidrógeno geológico puede ascender a la superficie de varias maneras. Puede permanecer disuelto en el agua subterránea y migrar únicamente por difusión en el medio acuoso. En este caso las concentraciones se mantienen siempre bajas y disminuyen en las zonas más superficiales. Este sería el caso de los yacimientos en Kansas y Nebraska actualmente en exploración. Una segunda tipología viene dada gracias a la diferencia de permeabilidad existente entre dos tipos de roca permitiendo la concentración del hidrógeno y su desorción del agua que lo contiene; de esta manera, el gas forma burbujas que ascienden por empuje hidrostático y dan lugar a una acumulación transitoria, en principio fácil de explotar. Este sería el caso de las acumulaciones de Mali en explotación. Asimismo, la proximidad a grandes fallas profundas que, aun siendo antiguas, puedan haberse reactivado recientemente constituye un buen criterio de exploración.
La situación actual del hidrógeno de origen geológico recuerda la historia del uso del petróleo, que si bien ya se utilizaba comercialmente desde mediados del siglo XIX, los primeros estudios científicos serios sobre su origen tan solo datan de 1930. Por tanto, no resulta descabellado imaginar a la humanidad captando y aprovechando el hidrógeno natural aunque los mecanismos de su génesis y su migración en el subsuelo no se conozcan del todo. ¿Quizás en un futuro el hidrógeno verde será de origen geológico? La puesta en producción del primer pozo de H2 en 2012, que desde entonces produce 98% de gas puro, demuestra que el hidrógeno geológico verde ya tiene presente.
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